满意度函数法对维生素A微胶囊的多目标优化

刘爱琴，罗超杰，周迪，代志凯，许新德，胡利东

（浙江医药股份有限公司新昌制药厂，浙江新昌312500）

VA是一类有营养活性的不饱和烃，包括视黄醇及相关的化合物和一些类胡萝卜素[1]。VA可以维持正常的视觉反应，缺乏时会引起暗适应能力降低，严重时引起夜盲症；VA可以维持上皮细胞的正常形成，可使皮肤柔软细嫩，有防皱去皱功效，缺失时，会使上皮细胞的功能减退，导致皮肤弹性下降、干燥、粗糙、失去光泽[2]。除此之外，VA还具有加速生长发育，增强机体抵抗力的作用。目前，我国维生素A类营养强化剂在婴幼儿食品、乳制品和乳饮料等食品中应用广泛，其允许添加的种类包括维生素A醋酸酯（vitamin A acetate，RA） 和维生素 A 棕榈酸酯（vitamin A palimate，RP）[3]。由于VA类对光、热、氧不稳定[4-5]，易发生光降解和氧化降解，因此，我们将维生素A醋酸酯进行微胶囊化，其目的在于：（1）在维生素A醋酸酯周围形成由壁材组成的保护层，从而与外界隔绝，可防止由于氧化、光照、热等造成的氧化变质，保持维生素A醋酸酯的生理功能；（2）将维生素A醋酸酯晶体从脂溶性固体转变为水溶性粉末，提高了其流动性、混合性和应用性，便于食品加工与保存；（3）把维生素A醋酸酯产品作为营养强化剂，添加于不同的食品中，提高食品的附加值。

以明胶为壁材，对维生素A醋酸酯进行微胶囊化实验，微胶囊化的包埋率和产品的保留率是评价微胶囊品质的重要参数。因为评价涉及到多指标，为了合理地、客观地进行评价，采用响应面曲线法和满意度函数处理数据[6-7]，用满意度综合评价值对微胶囊品质进行综合评价，实现了高包埋率、高保留率的双目标优化，确定了维生素A醋酸酯微胶囊化的最佳工艺参数，同时也为响应面曲线法和满意度函数在微胶囊工艺研究和开发提供了新的思路。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

维生素A醋酸酯晶体：浙江医药股份有限公司维生素厂生产；明胶：温州罗塞洛明胶有限公司；麦芽糊精，糖浆，dl-a生育酚，二丁基羟基甲苯（BHT），蔗糖酯，抗坏血酸棕榈酸酯，辛葵酸甘油酯。

SLS-60-70高压均质机：上海申鹿均质机有限公司；GLZ-5型高速离心喷雾干燥实验机：无锡市昂益达干燥设备厂；紫外可见分光光度仪UV-2450：SHIMADZU Comporation。

1.2 方法

1.2.1 维生素A醋酸酯微胶囊的制备工艺

1.2.2 维生素A醋酸酯微胶囊含量的检测

采用紫外分光光度法测定维生素A醋酸酯的含量，取一定量的维生素A醋酸酯微胶囊产品，加入5 mL去离子水超声至完全溶解，加入无水乙醇并定容，用分光光度法测定维生素A醋酸酯的含量。

1.2.3 VA醋酸酯微胶囊的效果评价

1.2.3.1 微胶囊化效率

微胶囊效率（又称包埋率），是芯材真正被胶囊化包埋的比例，是VA微胶囊化实际被包埋量与理论被包埋量的比值，包埋率越高越好[8]。微胶囊效率检测方法[9]，计算如下：

微胶囊化效率（%）=（1－产品表面的芯材含量/产品中的芯材含量）×100%

1.2.3.2 VA醋酸酯微胶囊保留率

VA醋酸酯微胶囊的贮藏稳定性采用加速试验来考察，用保留率来评价，贮藏条件为40℃，敞口，相对湿度（RH）40%，一定时间段取出进行紫外含量检测。计算如下：

保留率（%）=存后产品中芯材的含量/贮存前产品中芯材的含量×100%

1.2.3.3 乳液稳定性考察

经微胶囊化制备的乳液，放置在55℃烘箱中，放置4 h～5 h后观察是否分层，是否漂油。

1.2.4 响应面实验设计

根据Box-Ben中心组合实验设计原理，根据单因素实验结果，选取胶糖比、抗氧化剂用量和乳化剂用量这3个对微胶囊化产品稳定性影响显著的因素，采用三因素三水平地响应面实验。实验因素水平设计见表1。

表1 试验因素水平Table 1 Levels of experimental factors

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

2.1.1 维生素A醋酸酯晶体含量对微胶囊化的影响

将维生素A醋酸酯通过微胶囊化制备成50×104IU/g的水溶性干粉，对晶体含量的要求相对要高一些，晶体含量越高，微胶囊越容易包埋。所以分别选用晶体含量为：280×104、260×104、240×104、220×104、200×104、110×104IU/g进行试验。

表2 不同晶体含量对微胶囊效率的影响Table 2 The effect of the content of different crystal on the microencapsulation efficiency

由表2实验结果可以看出：当晶体含量低于220×104IU/g时，经微胶囊制备的乳液稳定性差，容易出现漂油现象。晶体含量越低，要求投料量比例相对增加，致使微胶囊包埋难度加大，乳液漂油现象越严重，且包埋效率也相对较低。当晶体含量高于220×104IU/g时，经微胶囊制备的乳液稳定性较好，但包埋效率较低。当晶体含量达240×104IU/g或240×104IU/g以上时，包埋效率明显提高，均高于95%，所以得出晶体含量要达到240×104IU/g或240×104IU/g以上。

2.1.2 明胶与蔗糖的添加比例对微胶囊化的影响

以微胶囊化的维生素A醋酸酯的保留率为主要评价指标，根据其微胶囊后的产品稳定性，进行对比试验。明胶与蔗糖的添加比例分别选用4∶1、3∶1、2∶1、1 ∶1、1 ∶2，结果如图 1所示。

从图1中我们可以得出明胶与蔗糖的最佳添加比例为3∶1。

2.1.3 抗氧化剂的筛选

抗氧化剂分别选用BHT、dl-α生育酚、不加抗氧化剂三组进行对比实验，其他条件相同，实验结果如图2。

图1 胶糖比对VA微胶囊的影响Fig.1 The effects of the ratio of gelatin and sugar on VA microcapsules

图2 不同抗氧化剂对VA微胶囊的影响Fig.2 The effects of different antioxidant on VAmicrocapsules

从图2中可以看出添加抗氧化后产品稳定性明显提高，加速试验90 d时，添加dl-α生育酚的产品保留率比不添加抗氧化剂的提高了15.5%，添加BHT的产品保留率提高了34.3%，所以可以得出最佳抗氧化剂为BHT。

2.1.4 抗氧化剂添加量

在以上条件的基础上，分别选用BHT的添加量为1%、2%、3%和4%，通过对微胶囊化的产品稳定性进行对比得出如图3。

图3 抗氧剂添加量对VA微胶囊的影响Fig.3 The effects of the antioxidant addition on VAmicrocapsules

从图3中可以看出，抗氧化剂添加量为2%时产品稳定性相对较好，加速试验90 d左右，其保留率仍在90%以上。所以确定抗氧化剂BHT的最佳添加量为2%。

2.1.5 乳化剂的筛选

乳化剂分别选用单硬脂酸甘油酯、抗坏血酸棕榈酸酯、辛葵酸甘油酯、三聚甘油单硬脂酸和蔗糖酯。经过试验发现，选用三聚甘油单硬脂酸和蔗糖酯作乳化剂，乳液稳定性差，易分层；选用抗坏血酸棕榈酸酯作乳化剂制备的产品颜色较暗，不符合要求；而单硬脂酸甘油酯和辛葵酸甘油酯作乳化制备的乳液稳定性较好，且产品外观颜色为浅黄色，对制备的产品进行稳定性考察。结果如表3。

表3 不同乳化剂对VA微胶囊的影响Table 3 The effect of different emulsifier on VAmicrocapsules

从表3中可以看出：单硬脂酸甘油酯作为乳化剂产品加速实验60 d后保留率在91.7%，60 d内产品保留率均在90%以上，稳定性较好，而辛葵酸甘油脂作为乳化剂制得的产品稳定性相对略差一些，所以乳化剂选用单硬脂酸甘油酯。

2.1.6 乳化剂的添加量

在以上条件的基础上，分别选用单硬脂酸甘油酯的添加量为1%、2%、3%和4%，通过对微胶囊化的产品稳定性进行对比得出如图4。

图4 单硬脂酸甘油酯添加量对VA微胶囊的影响Fig.4 The effects of the glycerol monostearate addition on VA microcapsules

从图4中稳定性变化的整体趋势可以看出，乳化剂的最佳添加量为3%。

2.2 响应面试验

根据Box-Behnken的中心组合实验设计原理，分别以胶糖比、乳化剂用量和抗氧化剂用量分别作为自变量 X1、X2、X3，以微胶囊效率、保留率为响应值 Y1、Y2，采用三因素三水平的响应面试验，实验设计与结果见表4，其中1-12是析因实验，13-15是中心试验，用来估计试验误差。VA醋酸酯微胶囊包埋效率以及保留率所对应的满意度函数的设定见表5所示，由于保留率是评价产品品质的重要指标，也是我们开发产品的重要依据，与包埋效率相比较更重要，所以本文将包埋效率与保留率的权重分别设为0.4和0.6。

表4 响应面实验设计与结果Table 4 Response surface experimental design and results

表5 Response Desirability函数的设定Table 5 Design of Response Desirability function

由SAS8.1对实验数据进行回归拟合，获得回归方程为：

D=0.76+0.19825X1+0.037X2+0.011X3-0.15X1X1-0.012X1X2-0.066 5X1X3-0.024X2X2-0.147X2X3-0.16X3X3，R2=0.978 5，RMSE=0.051 16 调整决定系数（R2adj）为0.939 8，表明模型的拟合度良好，预测值和实验值之间具有高度的相关性。由方差分析表6可以看出，对模型进行F检验，模型P=0.001 194，表明模型显著性可靠。采用t检验对模型的各项系数进行显著性分析，结果显示，X1、X12、X1*X3、X2*X3、X32的 P值小于0.05，为显著项，其他项P值大于0.05，表明各因素的交互影响不显著。

表6 回归方程的方差分析Table 6 Analysis of variance of the regression equation

利用SAS8.1统计分析系统软件进行分析得出响应曲面和等高线图（图5），各因素及其交互作用对相应值的影响趋势可通过该组图直观反应出来。

图5显示：胶糖添加比例、乳化剂添加量和抗氧化剂添加量之间的交互作用对VA微胶囊化产品品质的影响，乳化剂添加量和抗氧化剂添加量的交互作用极显著，胶糖比和抗氧化剂添加量之间的交互作用显著，而胶糖比和乳化剂添加量的交互作用不显著。这说明试验中这三个因素对VA微胶囊效果的影响不是简单的线性关系，而受线性回归影响。

SAS工具箱给出最大相应值D（Y）=0.882，其对应的 X1、X2、X3编码值分别为 0.778、1、-0.556，即胶糖比为3.389：1、抗氧化剂用量为2%，乳化剂用量为2.722%。考虑到实际操作的便利，将各工艺参数稍作调整，分别为：胶糖比为3.4∶1、抗氧化剂用量为2%，乳化剂用量为2.7%。

图5 VA微胶囊化产品的响应面及等高线图Fig.5 Response surface and contour plots of the VAmicrocapsules

2.3 最佳条件的验证试验

为检验响应曲面法和满意度函数所得结果的可靠性，采用上述优化工艺条件，重复实验3次，微胶囊化效率的平均值为96.4%，保留率的平均值（60 d）为92.81%。与模拟预测值基本一致。

3 讨论

一般的微胶囊化优化大多以单因素实验、正交试验以及单一的响应曲面为主，只能针对单一变量进行优化，而当存在多个变量时，针对某一因变量的最适参数往往无法同时满足其他因变量的优化要求。目前基于相应曲面法已开发出多种的多目标优化方案，其中满意度函数是较为常用的一种，在生物医药、色谱分离等方面应用较多[10-11]，而在微胶囊化优化领域鲜有报道。

以微胶囊效率、保留率为目标，利用响应曲面及满意度函数法对VA醋酸酯微胶囊化配方中的胶糖比、抗氧化剂用量和乳化剂用量进行优化，确定了它们的最佳添加量分别为3.4∶1、2%和2.7%，利用VA醋酸酯微胶囊最佳配方参数得到微胶囊化效率为96.4%，保留率（60 d）为92.81%。

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